足踝部生物力学与临床相关性

陈立+马昕

摘 要 作为惟一直立行走的哺乳类动物，人类足踝部关节有着独特的生物力学特点。踝关节在人体行走中稳定而又灵活，但踝关节的生物力学平衡一旦遭到破坏，相比其他主要关节更容易发生创伤性骨关节炎。踝关节与后足三关节（距下关节、距舟关节、跟骰关节）在步态运动中形成偶联机制，通过扭力转换调节足踝部整体刚度以适应步态周期的需要。在足踝部疾病的诊断与治疗中，所涉及关节的生物力学特点是首要考虑的因素。

关键词 足踝关节 生物力学 骨折 三关节融合术

中图分类号：R681.8 文献标识码：A 文章编号：1006-1533（2014）24-0009-03

直立行走是人类区别于其他哺乳类动物的根本特征，但足踝关节仍存在进化上的弱点，由四足爬行到双足行走，踝关节及足部小关节应力增加[1]。绝大部分后天足踝关节疾患，包括创伤和退行性病变，均直接或间接来自于直立行走的不合理或累积性应力。

踝关节生物力学与临床相关性

踝关节的生物力学特点

踝关节是人体接触地面的第一个负重大关节，维系着人体的各种运动与平衡，其生物力学特征是“稳定中的灵活”。踝关节活动范围较小，在人体所有的大关节中最为稳定[2]，但也绝不仅是下肢连接足部的两个“铰链”。踝关节在冠状面上有3°左右的外翻，在矢状面上有10°左右的前倾，这使其在背伸运动时伴足部外翻，跖屈运动时伴足部内翻。踝关节背伸时踝穴更为稳定，适应步态推进器对于足部刚硬度的需要，在跖屈时更为灵活，使足部在步态摆动期适应不同地形柔韧性的需要。足部共有41个关节，占双下肢关节数量的84%，具有三维解剖结构、复杂微妙的运动功能。在以踝关节为主的大运动中包含了足部微动关节的三维运动，由此形成了人类站立、行走、跑步中的自然摆动运动与“步态美”。因此，踝关节的解剖轴线、生物力学及功能重建等牵涉的问题较髋、膝关节多。正常的踝关节极少发生退变性踝关节炎，而一旦踝关节的生物力学平衡遭到破坏（如创伤），则相比髋关节、膝关节更易发展为骨性关节炎。另一方面，踝关节生物力学的复杂性带来了人工踝关节假体的设计困难。第二、三代人工踝关节假体虽较第一代有长足进步，但相比人工髋、膝关节，仍因并发症多、使用寿命短而未能在临床上广泛开展[3]。

踝关节骨折的生物力学与临床相关性

运动关节损伤中以踝关节最为常见，高达64.6%；踝关节内、外侧韧带损伤约占全身韧带损伤的80%[4]。2000年的踝关节骨折发病率比1970年增加319%，在2000年至2010年的10年间亦有了进一步增加[5]。

在很长一段时间里，我们将内、外踝骨折块移位的多少作为踝关节骨折是否需要手术的指征。Ramsy-Hamilton[6]生物力学实验显示，距骨外移1 mm导致胫距关节接触面积减少42%。这一经典实验至今仍是踝关节骨折强调解剖复位的重要依据。精确地复位胫骨与距骨关节面的解剖关系，构建胫距关节面在负重及步行条件下的动态稳定，是踝关节骨折进行手术的首要目的和原则，也是术后判断创伤性骨性关节炎发生概率及踝关节预后的主要依据。

然而，越来越多的研究发现生理性运动条件下距骨异常运动导致动态胫距关节接触面失匹配[7]关节不稳定，是创伤导致踝关节骨性关节炎发生的主要原因。踝穴的稳定依靠骨与韧带组织在水平面及冠状面构成的两个相扣的环形锁链状结构。胫腓骨远端通过胫腓下联合韧带及骨间膜构成水平面上的稳定；而内外踝则通过内外侧副韧带与距骨滑车形成冠状面上的稳定[6]。踝关节骨折是否需要手术，更多的取决于踝关节的稳定性是否破坏，而不仅仅在于骨折块移位多少。

腓骨是仅次于三角韧带的踝关节第二重要的稳定结构[8-9]，踝关节骨折的手术治疗首先复位外踝[5] 。腓骨的位移通过踝关节双环稳定结构的传导，影响其他稳定器的位置与功能。腓骨骨折块一旦回到其解剖位置，其复位力量通过这两个环形结构的传导，通过“四两拨千斤”的办法使胫距关节、后踝及内踝相应地各归其位。相反，腓骨骨折块的移位或复位不佳则可能导致“牵一发而动全身”，破坏整个踝关节的稳定体系，包括胫距关节面的移位。

足部生物力学与临床相关性

后足的生物力学特点

踝关节（胫距关节、下胫腓关节）以及后足三关节（距下关节、距舟关节、跟骰关节）统称为踝足四关节，其不仅是现代人类直立行走时杠杆推进的中心，更是完成复杂运动的核心结构[10-11] ，从爬行人猿到现代人类，四关节的进化是足弓形成的关键[4，12]。跟骨与距骨形成距下关节，在矢状面上前倾41°，水平面上内倾23°，距下关节将小腿的内、外旋转运动转变为后足的内、外翻运动，再通过跗中（距舟关节与跟骰关节复合体）将后足运动转变成前足的旋前与旋后。这样踝关节、距下关节、附中联动实现小腿到后足到中足再到前足的扭力转换，使足部在步态的推进与摆动之间转换实现刚度与灵活的转换。

踝足四关节是全身最复杂的关节复合体，在生理运动状态下，四关节各自的运动及受力发生瞬时变化，相互间又在时间与空间上存在更为复杂的偶联机制，也表现为运动及受力的相互代偿。在步态推进期，距下关节内翻，距舟关节、跟骰关节关节面成角，使后足关节“锁定”，增加推进期足部的刚度；在步态摆动期，距下关节外翻，距舟关节、跟头关节面平行，后足“解锁”恢复足部柔韧性。在踝关节背伸跖屈运动的同时，还协同距下关节主导的内、外翻以及距舟、跟骰关节主导的内、外旋转运动，各个关节各个方向的运动组合使踝足关节复合体变得非常灵活，在整体上表现出“稳定中带有灵活”的生物力学特征，让足踝部能够在不同路况环境下进行行走和跑跳。

跟骨骨折的生物力学与临床相关性

跟骨骨折是足踝部最常见的骨折之一，约占所有骨折的2%[19]，60%～75%的跟骨骨折累及距下关节面[20]。因此，跟骨骨折的治疗除了需要恢复跟骨的长度与内翻角来恢复足踝部的力线，最重要的就是恢复距下关节。距下关节，尤其是距下关节后关节面是否塌陷，是评估跟骨骨折是否需要手术治疗、骨折严重程度以及手术愈合的关键[21]。

后足关节融合术的生物力学与临床相关性

三关节融合手术指的是同时融合距下关节、距舟关节和跟骰关节，在平足症、马蹄内翻足的矫形、后足骨关节炎的手术治疗中广泛应用，是足踝外科最常用的手术方式之一。但是，由于踝足四关节的联动，三关节融合术后足部的应力集中于临近关节，使临近关节退变，出现疼痛症状[13]。三关节融合术后10年，75%的踝关节出现退行性变[14]；融合术后14年，27%的患者踝关节出现严重退变，27%的患者舟楔关节退变，23%的患者跖跗关节退变[15]。

距舟关节是三关节复合体的关键，是惟一连接后足与中足，同时又连接胫距复合体与跟足复合体的关节。单纯融合距舟关节，距下关节活动度降至8%，跟骰关节活动度降至8%[16]。而单纯距下关节融合使跟骰、距舟关节活动度分别下降至56%与46%；单纯融合跟骰关节使距下关节活动度降至67%，而距舟关节活动度没有改变。因此，用单纯距舟关节融合替代一部分的三关节融合手术是近年来的趋势，单纯距舟关节融合比双关节融合、三关节融合对临近关节产生的影响更小[17-18]。

综上所述，负重与运动是足踝部最重要的两大生理功能，足踝部疾病的诊断与治疗无不与这两大功能息息相关。除了解剖因素，足踝部的生物力学特点对判断足踝部疾病是否需要治疗、怎么治疗、治疗效果如何起到至关重要的作用，需为足踝外科医师以及骨科医师熟悉与掌握。

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（收稿日期：2014-09-22）